Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по дисциплине "Основы злектротехники"

Министерство образования Московской области

Государственное образовательное учреждение высшего образования Московской области «Государственный гуманитарно-технологический университет»

(ГГТУ)

Ликино-Дулевский политехнический колледж – филиал ГГТУ

               УТВЕРЖДАЮ

                                                                    И. о. директора ЛДПК – филиала ГГТУ

________________/Чистов А.А./

«_____»___________2017 г.

Методические рекомендации по выполнению

лабораторных работ

для студентов специальности

09.02.06 «Сетевое и системное администрирование»

базовой подготовки

очной формы обучения

по дисциплине   Основы электротехники

Ликино-Дулево, 2017 г.

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по дисциплине Основы электротехники разработаны на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальности среднего профессионального образования  09.02.06  Сетевое и системное администрирование  в соответствии с учебной программой дисциплины  Основы электротехники.

Автор разработки Методических рекомендаций:

Моисеев  И.В, преподаватель спец. дисциплин

Методическое сопровождение:

Асташенко И.Ю., Сабитова Д.Р.

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по дисциплине Основы электротехники рассмотрены на заседании предметно-цикловой  комиссии укрупненной группы  09.00.00 Информатика и вычислительная техника

Протокол заседания № _____ от «____» ___________ 20__ г.

Председатель предметно- цикловой  комиссии

Селиверстова О.М.________________

Фамилия И.О.               , подпись

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение, ……………………………………………………………………..……..…………..4

Общие указания по выполнению лабораторных работ в программе Electronic Workbench (EWB). ………………………………………………….…………………………..……..…….5

Требования к результатам выполнения лабораторных работ по дисциплине ОП.13 Основы электротехники………………………………………………………………………………….8

Объем дисциплины и виды учебных занятий……………………………………………  ….8

Перечень лабораторных работ…………………………………………………………………9

Лабораторная работа № 1 Знакомство с моделирующей программой Electronics Workbench 5.12…………………………………………………………...…………………………   …….10

Лабораторная работа № 2 Проверка закона Ома для участка цепи и всей цепи…………..25.

Лабораторная работа № 3 Проверка законов Кирхгофа  для разветвленной электрической цепи………………………………………………..……………………………………………27

Лабораторная работа № 4 Метод наложения………………………………...………………29

Лабораторная работа № 5 Метод эквивалентного генератора и теорема взаимности…….32

Лабораторная работа № 6 Неразветвленная цепь переменного тока с R, L и  C…………..35

Лабораторная работа № 7 Резонанс напряжений……………………………………………38

Лабораторная работа № 8 Исследование  цепи трехфазного тока при соединении нагрузки  звездой………………………………………………………………………………….……….41

Лабораторная работа № 9 Исследование  цепи трехфазного тока при соединении нагрузки  треугольником…………………………...……………………………………………………..44

Лабораторная работа № 10 Исследование  RC и RLC-цепочек……………………………..46

Критерии оценивания работы обучающихся на лабораторных занятиях………………….50

Список литературы………………………………………………………………………...…..51

Введение

В рамках изучения дисциплины ОП.13 Основы электротехники подобран материал и разработан комплекс лабораторных работ. В ходе разработки выполнены следующие этапы:

1.1. Рассмотрены основные базисные электротехнические  схемы, схемные решения и принцип работы;

1.2. Представлены краткие технические обоснования выполняемых лабораторных работ, описания схем экспериментов т порядок их выполнения;

1.3. Разработаны лабораторные работы, соответствующие изучаемым темам.

Включенные  в комплект  лабораторные работы,  позволяют студентам наиболее полно усвоить теоретический материал и приобрести практические навыки по созданию и анализу работы электротехнических схем и устройств, что поможет им в будущей практической деятельности.

При выполнении лабораторных работ используется  вир­туальная   лаборатория, в основе которой используется специализированная программа машинного моделирования электрических и электронных схем Electronics Workbench 5.12. канадской фирмы Interactive Image Technologies.

Включенные в лабораторные работы экспериментальные задачи стимулируют исследовательскую и творческую деятельность, развивает познавательные интересы, помогают не только глубже понять электротехнические процессы и закономерности, но и научиться применять полученные знания на практике.

В качестве оборудования для выполнения лабораторных работ используются  компьютерный класс с программным обеспечением Electronic Workbench 5.12.

Цель: формирование практических умений, необходимых   в последующем в профессиональной и учебной деятельности.

Задачи: научиться

- применять основные определения и законы теории электрических цепей;

- учитывать на практике свойства цепей с распределенными параметрами и нелинейных электрических цепей;

- различать непрерывные и дискретные сигналы и их параметры.

  К общим задачам следует отнести развитие у   будущих   специалистов интеллектуальных умений, выработка при решении поставленных задач таких профессионально значимых качеств, как самостоятельность, ответственность, точность, творческая инициатива.

Общие указания по выполнению лабораторных работ в программе Electronic Workbench (EWB)

Настоящее описание представляет собой дополнение к лабораторным работам по курсу «Основы электротехники»,с выполнением на персональном компьютере.

Безусловным достоинством машинного моделирования является высокая точность экспериментов, или другими словами – почти полное совпадение результатов моделирования с теоретическими расчетами, так как  здесь нет реальных элементов, которым присущи разброс и дрейф их параметров – технологических, температурных и тому подобное.

Из сравнения реальной лаборатории с виртуальной, следует заметить, что вторая является более оснащенной и приспособленной, например, для анализа линейных и нелинейных электрических цепей. Так в программе схемотехнического моделирования ELECTRONICS WORKBENCH (EWB), с которой мы работаем, имеются амперметры и вольтметры постоянного и переменного тока, цифровой двухканальный осциллограф с памятью, измеритель амплитудных и фазочастотных характеристик, генератор сигналов различной формы, функциональные блоки и многое другое. Поэтому при настоящем дефиците аудиторных занятий, используя машинное моделирование, сделать можно больше, а изучить глубже.

Краткие сведения о программе EWB и ее возможностях.

Программа EWB является на сегодня одной из наиболее удобных и доступных для моделирования и анализа электрических и электронных схем. Ее достоинства заключаются в том, что от пользователя не требуется специальной подготовки, углубленных знаний по информатике и программированию, а сам процесс моделирования очень напоминает реальный эксперимент. При этом экспериментатор с помощью мыши и клавиатуры выполняет привычные операции, а именно: собирает схему из отдельных компонентов, устанавливает их параметры в рабочем диапазоне, подключает необходимые измерительные приборы и регистрирует результаты измерений.

Такая виртуальная лаборатория обладает очень большими возможностями при экспериментальном исследовании различных схем по двум основным причинам:

− во-первых, здесь исключаются аварийные нештатные ситуации (перенапряжения, перегрузки, короткие замыкания), возникающие на реальном оборудовании и приводящие к выходу элементов из строя;

− во-вторых, по набору различных электротехнических  компонентов, измерительных приборов и диапазону их изменения виртуальная лаборатория намного превосходит реальную, т.е. налицо существенная экономия в материальных ресурсах и затратах времени на исследования.

Основные принципы моделирования.

Программа EWB работает с операционной системой Windows, для установки этой программы требуется компьютер с процессором не хуже 486, а также не менее 4Мб свободного пространства на винчестере. Настоящая программа позволяет проводить исследование электрических схем с источниками постоянного и переменного токов в статическом (установившемся), а также в переходном режимах, при воздействии сигналов произвольной формы. При этом доступны следующие приемы и операции:

− выбор электротехнических компонентов и измерительных приборов из библиотек;

− выделение элементов и объектов;

− изменение параметров элементов в широком диапазоне;

− перемещение элементов в рабочем поле, их поворот на углы кратные 90 градусов;

− установка и удаление объектов;

− соединение элементов проводниками;

− подключение измерительных и регистрирующих приборов;

− копирование объектов;

− изменение цвета проводников и исследуемых кривых на экране осциллографа;

− создание субблоков.

Включение схемы производят при нажатии на кнопку, расположенную в верхнем правом углу экрана.

Результаты моделирования могут быть выведены на принтер или переданы в графические или текстовые редакторы. Все эти операции проводятся при помощи мыши и клавиатуры.

Рассмотрим некоторые из них.

Выбор электронных компонентов.

На общем поле EWB ниже меню находится строка панель инструментов, из нее в рабочее поле с помощью мыши можно перенести мультиметр, генератор сигналов, двухканальный осциллограф, измеритель частотных характеристик (ИЧХ).

Ниже расположена панель компонентов, включающая 11 значков.

Активизируя эти знаки кнопкой мыши, можно получить поле компонентов − левый столбец на общем поле, состоящих из условных изображений. Любой из этих компонентов при помощи мыши (левая кнопка нажата) перемещается на рабочем поле.

Выделение элементов и объектов.

Чтобы выделить элемент, достаточно установить на него указатель мыши и щелкнуть левой кнопкой. Для объекта, состоящего из нескольких элементов, необходимо указатель мыши установить, например, в левый верхний угол рабочего поля, и нажав левую кнопку мыши растянуть рамку до необходимых размеров, после чего отпустить кнопку. Выделенный элемент или объект изменяет свой цвет на красный. Чтобы снять выделение, достаточно щелкнуть мышью в любой точке рабочего поля.

Выделенный объект можно легко переместить на рабочем поле и поворачивать на угол, кратный 900, для этого используют команду Rotate из меню Circuit или клавиши Ctrl + R. Выделенный объект можно скопировать в буфер при помощи команды Copy из меню Edit или клавиш Ctrl + C, а затем вставить в нужном месте листа на рабочем поле, используя команду Paste из меню Edit или с помощью клавиш Ctrl + V.

Выделенный объект можно удалить с помощью команд Cut или Delete. В первом случае объект удаляется в буфер, но может быть возвращен обратно на рабочее поле; при выполнении команды Delete объект удаляется безвозвратно.

Выполнение лабораторных работ.

О проведении лабораторной работы обучающимся сообщается заблаговременно: когда предстоит работа, какие вопросы нужно повторить, чтобы ее выполнить. Просматриваются задания, оговаривается ее объем и время ее выполнения. Критерии оценки сообщаются перед выполнением каждой лабораторной работы.

Обучающиеся получают распечатанный или электронный вид работы с описанием этапов  ее выполнения.

Перед выполнением лабораторной работы повторяются правила техники безопасности.

При выполнении лабораторной работы обучающийся придерживается следующего алгоритма:

1.      Записать дату, тему и цель работы.

2.      Ознакомиться с ЗУН, правилами и условиями выполнения лабораторной работы.

3.      Повторить теоретические обоснования, необходимые для рационального выполнения работы и других практических действий.

4.      Выполнить работу по предложенному алгоритму действий.

5.      Обобщить результаты работы, сформулировать выводы по работе.

6.      Записать ответы на контрольные вопросы.

Задания обучающимися в программе EWB выполняются в электронном виде. Все выполненные работы нумеруются, в соответствии с номером лабораторного задания, и оформляются в электронной рабочей тетради.

Требования к результатам выполнения лабораторных работ по дисциплине ОП.13 Основы электротехники

  В процессе подготовки и выполнения лабораторных работ, обучающиеся должны овладеть следующими умениями:

- применять основные определения и законы теории электрических цепей;

- учитывать на практике свойства цепей с распределенными параметрами и нелинейных электрических цепей;

- различать непрерывные и дискретные сигналы и их параметры;

знаниями:

- основных характеристик, параметров и элементов электрических цепей при гармоническом воздействии в установившемся режиме;

- свойств основных электрических RC и RLC-цепочек, цепей с взаимной индукцией;

трехфазных электрических цепей;

- основных свойств фильтров; непрерывных и дискретных сигналов:

методов расчета электрических цепей;

спектра дискретного сигнала и его анализа;

цифровых фильтров.

Обладать профессиональными компетенциями:

ПК 1.1	Выполнять проектирование кабельной структуры компьютерной сети.
ПК 3.1	Устанавливать, настраивать, эксплуатировать и обслуживать технические и программно-аппаратные средства компьютерных сетей.
ПК 3.2	Проводить профилактические работы на объектах сетевой инфраструктуры и рабочих станциях.

Перечень лабораторных работ

Таблица 1

№  занятия	Тема	Количество часов
1.	Знакомство с моделирующей программой Electronics Workbench 5.12.	2
2.	Проверка закона Ома для участка цепи и всей цепи.	2
3.	Проверка законов Кирхгофа  для разветвленной электрической цепи.	2
4.	Метод наложения.	2
5.	Метод эквивалентного генератора и теорема взаимности.	2
6.	Неразветвленная цепь переменного тока с R, L и  C.	2
7.	Резонанс напряжений.	2
8.	Исследование  цепи трехфазного тока при соединении нагрузки  звездой.	2
9.	Исследование  цепи трехфазного тока при соединении нагрузки  треугольником.	2
10.	Исследование  RC и RLC-цепочек	2
	Итого:	20

Лабораторная работа № 1

«Знакомство с моделирующей программой Electronics Workbench 5.12»

1. Цель работы.

 Научиться основам работы с программой EWB для дальнейшего ее использования в последующих лабораторных работах.

2.  Основы работы с программой EWB

Подготовка схем

Главное рабочее окно EWB представлено на рис. 1.

Рис.1. Главное окно EWB

Создание схем начинается с размещения на рабочем столе компонентов из библиотек программы.

Прежде чем создавать чертеж принципиальной схемы средствами программы EWB, целесообразно на листе бумаги подготовить ее эскиз с примерным расположением компонентов.

 Тринадцать разделов библиотек могут быть вызваны поочередно с помощью кнопок:

Рис. 2. Кнопки вызова библиотек элементов

 Для этого необходимо подвести курсор к соответствующей кнопке и щелкнуть левой клавишей мыши. При этом появляется окно, в котором  изображены условные обозначения определенной группы электронных компонентов и устройств. Ниже приведено меню (рис. 3) для выбора компонентов при нажатии третьей  клавиши (группа диодов):

              Рис. 3. Меню группы диодов

Назначение клавиш (слева направо):

1) группа Sources – источники сигналов;

2) группа Basic – пассивные компоненты и коммутационные устройства;

3) группа Diodes – диоды;

4) группа Transistors –  транзисторы;

5) группа Analog IСs – аналоговые микросхемы;

6) группа Mixed Ics –микросхемы смешанного типа;

7) группа Digital Ics – цифровые микросхемы;

8) группа Logic Gates – логические цифровые микросхемы;

9) группа Digital – цифровые микросхемы;

10)  группа   Indicators – индикаторные устройства;

11)  группа  Controls – аналоговые вычислительные устройства;

12)  группа Miscellaneous – компоненты смешанного типа;

13)  группа Instruments – контрольно-измерительная аппаратура.

Компоненты Electronics Workbench

После запуска  EWB на экране появляются строка меню и панель компонентов.

Панель компонентов состоит из пиктограмм полей компонентов, а поле компонентов - из условных изображений компонентов.

Щелчком мыши на пиктограмме компонентов открывается поле соответствующее этой пиктограмме.

Ниже приведены некоторые элементы из полей компонентов:

Basic (базовые компоненты)

Узел служит для соединения проводников и создания контрольных точек.

Резистор 

      1 кОм

Сопротивление резистора может быть задано числом в Ом, кОм, МОм

Конденсатор

    1 мФ

Ёмкость конденсатора задается числом с указанием размерности (пФ, нФ, мкФ, мФ, Ф).

Ключ

  [Space]

Ключ, управляемый клавишей. Такие ключи могут быть замкнуты или разомкнуты при помощи управляемых клавиш на клавиатуре. ( Имя управляющей клавиши можно ввести с клавиатуры в диалоговом окне, появляющемся после двойного щелчка мышью на изображении ключа.)

Sources (Источники)

Земля

Компонент "Заземление" имеет нулевое напряжение и служит точкой для отсчета потенциалов.

Источник постоянного напряжения 12В

ЭДС источника постоянного напряжения указывается числом с указанием размерности (от мкВ до кВ)

Источник постоянного тока 1А

Ток источника постоянного тока задается числом с указанием размерности (от мкА до кА)

Источник переменного напряжения 220 В / 50 Гц

Действующее значение (root-mean-sguare-RMS) напряжения источника задается числом с указанием размерности (от мкВ до кВ). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы.

Источник переменного тока 1 А / 1Гц

Действующее значение тока источника задается числом с указанием размерности (от мкА до кА). Имеется возможность установки частоты и начальной фазы.

Генератор тактов 1000 Гц / 50%

Генератор вырабатывает периодическую последовательность прямоугольных импульсов. Можно регулировать амплитуду импульсов, скважность и частоту следования импульсов.

Indicators (Приборы из библиотеки индикаторов)

Простейшими приборами являются вольтметр и амперметр. Они автоматически изменяют диапазон измерений. В одной схеме можно применять несколько таких приборов одновременно.

Вольтметр

Вольтметр используется для измерения переменного или постоянного напряжения. Выделенная толстой линией сторона прямоугольника соответствует отрицательной клемме.

Двойным щелчком на изображении вольтметра открывается диалоговое окно для изменения параметров вольтметра:

величины внутреннего сопротивления (по умолчанию 1МОм),

вида измеряемого напряжения (DC-постоянное, AC-переменное).

При измерении переменного синусоидального напряжения (АС) вольтметр показывает действующее значение

Амперметр

Амперметр используется для измерения переменного или постоянного тока. Выделенная толстой линией сторона прямоугольника соответствует отрицательной клемме.

Двойным щелчком на изображении амперметра открывается диалоговое окно для изменения параметров амперметра

величины внутреннего сопротивления (по умолчанию 1мОм),

вида измеряемого напряжения (DC-постоянное, AC-переменное).

При измерении переменного синусоидального напряжения (АС) амперметр показывает действующее значение

В качестве примера рассмотрим этапы создания схемы, приведенной на рис. 1 (далее этапы создания схемы выделены курсивом).

Для этого откроем меню соответствующих групп необходимых компонентов, а именно: группы Sources – источники сигналов (1 кнопка), группы Basic – пассивные компоненты и коммутационные устройства

(кнопка 2), группы Diodes – диоды (кнопка 3) и группы   Indicators – индикаторные устройства (кнопка 10).

Необходимый для создания схемы значок (символ) компонента переносится из меню на рабочее поле  движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается. При этом символ фиксируется на рабочем поле. После выбора необходимых компонентов меню можно закрыть (рис.4).

Рис. 4. Первый этап создания схемы

При размещении компонентов схемы на рабочем поле программы EWB  можно воспользоваться динамическим меню. Для этого необходимо щелкнуть левой клавишей мыши на свободном поле. При этом на экране появится меню, показанное на рис. 5.

Рис. 5. Динамическое меню

В этом меню имеются следующие опции:

– Paste – вставка содержимого буфера обмена на рабочее поле;

– Zoom In, Zoom Out – увеличение или уменьшение изображения. Эти опции продублированы в меню Circuit и кнопками в верхнем ряду панели инструментов

– Add [название компонента] – добавление на рабочее поле указанных компонентов. Количество таких команд в списке меню определяется количеством типов компонентов, имеющихся на рабочем поле. При выборе, например, команды Add Capacitor на рабочем поле появляется копия конденсатора, уже присутствовавшего на поле.

Выбор опции Schematic Option приводит к появлению окна Schematic Option:

Рис. 6. Закладка Grid Меню  Schematic Option (задание элементов оформления схем)

С помощью этого окна выбираются элементы оформления для всей схемы.

На закладке Grid окна Schematic Option:

– Show grid – показывать сетку для удобства рисования схемы (по умолчанию эта опция выключена, остальные включены); опция активна только при включенной опции Use grid – использовать сетку.

На закладке Show/Hide  (рис. 7):

– Show labels – показывать позиционные обозначения компонентов, например, Cl, C2 для конденсаторов;

– Show models – показывать имена моделей компонентов, например, типов транзисторов (КТ605 и т. п.);

 – Show values – показывать номиналы компонентов, например, сопротивления резисторов;

– Show nodes – показывать номера узловых точек схемы, как показано на рис. 8 (используемое в дальнейшем при выполнении команд меню Analysis);

Рис. 7. Закладка Show/Hide  меню   Schematic Option

– Show Reference ID – показывать позиционное обозначение компонента (используемое в дальнейшем при выполнении команд меню Analysis);

– Autohide part bins – по умолчанию не показывать состав библиотеки компонентов, используемой в данной схеме;

– Keep parts bin positions – сохранять положение используемой библиотеки компонентов на экране при оформлении схемы.

Рис. 8. Фрагмент принципиальной схемы с обозначенными

узловыми точками 2 и 3

Для задания параметров и формы представления каждого компонента схемы используются следующие приемы.

Если по изображению элемента щелкнуть левой клавишей мыши, на экране появится меню (рис. 12), с помощью которого можно провести ряд операций:

– Cut – вырезание указанной части схемы с сохранением ее в буфере обмена. Выделение одного компонента производится щелчком мыши на изображении компонента. Для выделения части схемы или нескольких компонентов необходимо поставить курсор мыши в левый угол воображаемого прямоугольника, охватывающего выделяемую часть, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее, протянуть курсор по диагонали этого прямоугольника, контуры которого появляются уже в начале движения мыши, и затем отпустить кнопку. Выделенные компоненты окрашиваются в красный цвет;

– Сору – копирование выделенной части схемы в буфер обмена;

– Delete  – стирание элемента или выделенной части схемы;

–Rotate – вращение выделенного компонента; большинство компонентов поворачиваются  против часовой стрелки на 90° при  каждом

выполнении команды, для измерительных приборов (амперметр, вольтметр и др.) меняются местами клеммы подключения;

Рис.12. Меню работы с выбранным компонентом схемы

– Flip Vertical – зеркальное отображение компонента по вертикали;

– Flip Horizontal – зеркальное отображение компонента по горизонтали.

Три последние команды дублируются кнопками

в верхнем ряду панели инструментов главного окна, а также в меню Circuit.

Рис. 13б. Закладка Value  (величина) диалогового окна  задания параметров резисторов

При выборе закладки Value (рис. 13б) задаются номинальное сопротивление компонента (резистора), значение линейного (ТС1) и квадратичного (ТС2) температурных коэффициентов сопротивления.

Для активных компонентов  появляется еще одна закладка – Models (рис. 13е), с помощью которой выбирается  библиотека компонентов (Library), конкретный тип компонента (Model).

Рис. 13е. Закладка Models (выбор модели)  задания  параметров активных компонентов

С помощью описанных операций можно задать желаемые значения параметров и обозначения всех компонентов, используемых для создания схемы. В результате на экране получим изображение всех используемых для создания схемы компонентов с желаемыми обозначениями (с заданным типом шрифта, размерами и цветом) и параметрами (рис. 14).

После размещения и задания параметров компонентов  производится соединение их выводов проводниками.

Рис. 14. Второй этап создания схемы

При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения курсор мыши подводится к выводу компонента и после появлении большой точки нажимается левая кнопка. Появляющийся при этом проводник протягивается к выводу другого компонента до появления на нем такой же большой точки, после чего кнопка мыши отпускается и соединение готово. При необходимости подключения к этим выводам других проводников в библиотеке Basic выбирается точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный проводник. Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля. Если эта точка действительно имеет электрическое соединение с проводником, то она полностью окрашивается черным цветом. Если на ней виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет и точку необходимо установить заново. После удачной установки к точке соединения можно подключить еще два проводника.

Используя описанную методику, необходимо соединить все компоненты, представленные на рис. 14. В результате получим готовую схему (рис. 1).

Контрольно–измерительные приборы

Простейшие измерительные приборы (вольтметр и амперметр) находятся в группе   Indicators – индикаторные устройства. При нажатии кнопки

появляется меню Indicators (рис. 17), две первые кнопки которого позволяют  получить на рабочем поле вольтметр и амперметр соответственно.

Рис. 17. Меню выбора элементов индикации

Если по изображению элемента щелкнуть правой клавишей мыши, на экране появится меню (рис. 12), с помощью которого можно провести ряд операций, описанных в разделе «Подготовка схем». Команда   Component Properties (свойства компонента)  выполняется также после двойного щелчка левой клавишей мыши по компоненту или нажатия кнопки в верхнем ряду панели инструментов:

.

Команда продублирована и в меню Circuit.

При выполнении команды открывается диалоговое окно с несколькими закладками, предназначенное для задания параметров компонентов (рис. 18а для вольтметра и рис. 18б для амперметра). На этих закладках в строке Resistance необходимо установить внутреннее сопротивление вольтметра (должно быть большое) и амперметра (должно быть малым). В строке Mode выбирается тип измеряемого напряжения (тока):

– DC – постоянное напряжение (ток);

– AC – переменное напряжение (ток).

Остальные настройки приборов рассмотрены в предыдущем разделе (рис. 13).

а)

б)

Рис. 18. Окно для настройки вольтметра (а) и  амперметра (б)

Более сложные контрольно–измерительные приборы находятся в группе Instruments – контрольно–измерительная аппаратура. При нажатии кнопки

появляется меню Instruments (рис. 19),  кнопки которого позволяют  получить на рабочем поле  мультиметр, генератор сигналов, осциллограф, измеритель амплитудно–частотных и фазо–частотных характеристик (плоттер), генератор двоичных слов (кодовый генератор), 8–канальный логический анализатор и логический преобразователь соответственно. Одновременно на рабочем поле может присутствовать лишь по одному прибору каждого вида.

Рис. 19. Меню выбора контрольно–измерительной аппаратуры и ее обозначение на рабочем поле

При построении схем иконка прибора курсором переносится на рабочее поле и подключается проводниками к исследуемой схеме. Для приведения прибора в рабочее (развернутое) состояние необходимо дважды щелкнуть курсором по его иконке. Появляется изображение передней панели прибора (на рис. 20 – передняя панель мультиметра).

Рис. 20. Передняя панель мультиметра

Мультиметр. На передней панели мультиметра (рис. 20) расположен дисплей для отображения результатов измерения, клеммы ( «–» и «+») для подключения к схеме и кнопки управления:

 – выбор режима измерения тока, напряжения, сопротивления и ослабления (затухания);

–        выбор режима измерения переменного или постоянного тока;

– режим установки параметров мультиметра.

После нажатия на эту кнопку открывается диалоговое окно (рис. 21), на котором обозначено:

– Ammeter resistance – внутреннее сопротивление амперметра;

– Voltmeter resistance – входное сопротивление вольтметра;

– Ohmmeter current – диапазон измеряемого тока;

– Decibel standard – установка эталонного напряжения VI при измерении ослабления или усиления в децибелах (по умолчанию V1=1 В). При этом для коэффициента передачи используется формула:

 К[дБ] = 201оg(V2/V1), где V2 — напряжение в контролируемой точке.

Рис. 21. Окно настройки параметров мультиметра.

Генератор. Передняя панель генератора показана на рис. 22. Управление генератором осуществляется следующими органами управления:

– выбор формы выходного сигнала (синусоидальной,  треугольной или прямоугольной формы);

– frequency – установка частоты выходного сигнала;

– duty cycle – установка коэффициента заполнения в %. Для импульсных сигналов это отношение длительности импульса к периоду повторения (величина, обратная скважности),  для треугольных сигналов – соотношение между длительностями переднего и заднего фронта;

– amplitude – установка амплитуды выходного сигнала;

– offset – установка смещения (постоянной составляющей) выходного сигнала;

– выходные зажимы. При заземлении клеммы СОМ (общий) на клеммах «–» и «+» получаем парафазный сигнал.

Рис. 22. Передняя панель генератора

Моделирование электронных схем

Таким образом программа EWВ позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций:

– выбора элементов и приборов из библиотек;

– перемещения элементов и схем в любое место рабочего поля;

– поворота элементов и групп элементов на углы, кратные 90 градусам;

– копирования, вставок или удаления элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем;

– изменения цвета проводников;

– выделения цветом контуров схем для более удобного восприятия;

– одновременного подключения нескольких измерительных приборов и наблюдения их показаний на экране монитора;

– присваивания элементам условного обозначения;

– изменения параметров элементов в широком диапазоне.

Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры. Управление только с клавиатуры невозможно.

Путем настройки приборов можно:

– изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений;

– задавать режим работы прибора;

– задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармонические токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).

 Графические возможности программы позволяют:

– одновременно наблюдать несколько кривых на графике;

– отображать кривые на графиках различными цветами;

– измерять координаты точек на графике;

– импортировать данные в графический редактор, что позволяет произвести необходимые преобразования рисунка и вывод его на принтер.

Можно вставить схему или её фрагмент в текстовый редактор и напечатать в нем пояснения или замечания по работе схемы.

Программа EWB позволяет провести моделирование работы собранной схемы. Для этого необходимо воспользоваться кнопками, расположенных в правом верхнем углу экрана:

3. Задание.

Собрать схемы согласно рисункам 36 и 37. получить указанные на них показания приборов.

                                                                                                                       рисунок 36

                   \

                           рисунок 37

Предъявить промоделированные схемы преподавателю.

Контрольные вопросы

1.      Назначение и возможности программы EWB.

2.      Какой командой можно скопировать изображение схемы в отчёт, написанный в редакторе Word?

3.      Какой командой можно присвоить компоненту позиционные обозначения (C1, C2, R1 и т.д.)?

4.      Каким образом можно изменять масштаб схемы?

5.      Как на схеме обозначаются контрольные точки, для чего они нужны и в каких случаях их нужно знать?

6.      Каким образом можно получить краткие сведения о модели данного компонента?  

                                    Лабораторная работа № 2

Проверка закона Ома для участка цепи и всей цепи.

1. Цель работы.  Практически убедится в физической сущности закона Ома для участка цепи и всей цепи.

2. Оборудование   Рабочее место в компьютерном классе. Программа EWB.

3. Теоретическое обоснование.  Расчет и анализ простейших неразветвленных  электрических цепей может быть произведен с помощью  одного из основных законов электрических цепей - закона Ома.

Как показывают опыты, ток на участке цепи прямо пропорционально напряжении на этом участке цепи и обратно пропорционально сопротивлении того же участка - это закон Ома: I = U/R.                                     

                                                             В полной цепи ток  определяется по формуле

                                                             (закон Ома для полной цепи): I = E/(R + R₀), где

                                                              Е – ЭДС действующая в цепи;

                                                     ;       R – сопротивление нагрузки (сопротивление

     Е                        R                     внешнего участка цепи); R₀ – внутреннее

                                       .          сопротивление источника ЭДС

                                                                                          (сопротивление внутреннего цепи). Сила тока

                                                           электрической  цепис одной ЭДС

             R₀                                                 прямопропорционален этой ЭДС    и обратно

                                                            пропорционален сумме сопротивлений     внешней

                                                            и внутренней участков цепи.

Закон Ома для участка цепи не содержащего ЭДС:

На участке цепи не содержащем ЭДС ток прямопропорционален разности потенциалов на концах этого участка, где 1/R – коэффициент пропорциональности называемый сопротивлением участка цепи.

                       R               I_AB       

          А                                                В            

                                U_AB

Закон Ома для участка цепи  содержащего ЭДС:

          R                    I_AB                            E      

 

                                                   U_AB

 

Положительный или отрицательный знак при ЭДС берется в зависимости от того, совпадает или не совпадает направление тока с направлением ЭДС. Если направление ЭДС совпадает с направлением тока, то берется знак плюс, в противном случае берется знак минус.

4.  Задание  по  работе.

4.1. В моделирующей программе  EWB собрать электрическую схему рис 3.1.

Величины ЭДС и внутреннего сопротивления источника R₀ задаются исходя из номера варианта.

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Е,    В	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
R0, Ом	0,8	1,0	1,2	1,4	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,2

4.2.  При  различных по номиналам сопротивлений резистора R₁ произвести замер токов в цепи.  Результаты измерений занести в таблицу 1.

4.3. По известным значениям напряжений источника питания и сопротивлениям резисторов в цепи рассчитать токи в цепи используя закон Ома. Результаты расчетов занести в таблицу 1.

4.4. Сравнить  экспериментальные данные с расчетными данными.

4.5. Составить краткие выводы по работе.

4.6 По результатам измерений построить ВАХ источника ЭДС.

         рис 3.1.                                                        рис 3.2.

                                                                                                                                      Таблица 1

Вар №	E=	R0=	Ток в цепи I ( А или mА)
№ п/п	U,  В	R 1, Ом	Эксперимент	Вычисление
1		5 Ом
2		10 Ом
3		20 Ом
4		30 Ом
5		40 Ом
6		50 Ом
7		60 Ом
8		70 Ом
9		80 Ом
10		100 Ом
11		200 Ом
12		500 Ом
13		1 КОм
14		- рис3.2

6. Контрольные вопросы.

1. Закон Ома для полной цепи.

2. Закон Ома для участка цепи не содержащего ЭДС.

 3. Закон Ома для участка цепи  содержащего ЭДС.

4. Какие зависимости раскрывает закон Ома?

5. В чем разница между ЭДС и напряжением на участке цепи не содержащем ЭДС?

7. Содержание отчета.

7.1. Наименование и цель работы.

7.2. Краткие теоретические сведения.

7.3. Схема исследования. Таблица с результатами экспериментов и расчетов.

7.4. Краткие выводы по работе.

7.5. Ответы на контрольные вопросы.

8. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

                                        Лабораторная работа № 3.

Проверка законов Кирхгофа  для разветвленной электрической цепи.

1. Цель работы.  Отработка практических навыков проведения эксперимента. Проверить опытным путем выполнение правил (законов) Кирхгофа.

2. Оборудование.   Рабочее место в компьютерном классе.

3. Теоретическое обоснование.

Первое правило (закон) Кирхгофа:  Алгебраическая сумма токов ветвей сходящихся в узле электрической цепи равна нулю. По первому правилу (закону) Кирхгофа  составляется (n-1) уравнение, где n – число узлов в с цепи.

Для узла А схемы рис.3.1 первое правило Кирхгофа имеет вид: -I₁ - I₂ – I₃ = 0   (3.1)

Для узла В схемы рис.3.1 первое правило Кирхгофа имеет вид: I₁ + I₂ + I₃ = 0   (3.2)

Вторе правило (закон) Кирхгофа:   Алгебраическая сумма падений напряжения в замкнутом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме ЭДС действующей в этом контуре. По второму правилу (закону) Кирхгофа  составляется

(m - (n-1)) уравнение, где m – число ветвей в с цепи.

Для верхнего, нижнего и внешнего контуров  схемы рис.3.1 второе правило Кирхгофа имеет вид:

U₁+U₄ –U₅ – U₂ = E₁ + E₂;   R₁ I₁ + R₄ I₁ – R₅ I₂ – R₂ I₂ = E₁ + E₂    (3.3) –верхний контур

U₂ + U₅ –U₆ –U₃ = -E₂ -E₃;   R₂ I₂ + R₅ I₂ –R₆ I₃ – R₃ I₃ = - E₂ – E₃  (3.4) –  нижний контур

U₁ + U₄ –U₆ –U₃ = E₁ – E₃;   R₁ I₁+ R₄ I₁ – R₆ I₃– R₃ I₃ =  E₁ – E₃  (3.5) –  внешний контур

                                 R₁                                        E₁                                     R₄               I₁

                                                              E₂                                                                          I₂

           А                                                                                                                              B

                                       R₂                                                                                R₅             

                                         E₃                             R₃                                     R₆              I₃

 

                                                         Рис. 3.1

4.  Порядок выполнения работы.

4.1. В моделирующей программе EWB собрать схему рис.3.2. Величины ЭДС и  сопротивлений схемы задаются исходя из номера варианта по таблице 3.1:

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Е1,    В	10	12	14	16	18	20	22	24	26	26
Е2,    В	26	24	22	18	20	16	14	12	10	8
Е3,    В	15	10	15	10	15	10	15	10	15	10
R1, Ом	6	8	10	12	14	16	18	20	22	10
R2, Ом	20	18	16	14	12	10	8	6	4	14
R3, Ом	2	4	6	8	2	4	6	8	10	6
R4, Ом	8	6	4	2	10	8	6	4	2	8
R5, Ом	3	5	7	9	3	5	7	9	11	5
R6, Ом	2	3	4	5	6	2	3	4	5	6
Узел	А	В	А	В	А	В	А	В	А	B
Контур	Верх.	Ниж.	Внеш.	Верх.	Ниж.	Внеш.	Верх.	Ниж.	Внеш.	Верх

                        R₁                                 E₁                                      R₄                                                                  I₁

                                                                                            U₄

                                   U₁

                               R₂            E₂                                      R₅                         I₂

       U₂

                                                           U₅

                 E₃            R₃                                                                                                  R₆

                          U₃                                                        I₃

                                                                                       U₆

                                                                          рис.3.2.

4.2.  Произвести замеры токов в ветвях схемы и напряжений на сопротивлениях цепи. Результаты занести в таблицу 3.2

Вар. №	Е1,   В	Е2,  В	Е3,   В	R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом	R4, Ом	R5, Ом	R6, Ом
	U1, В	U2, В	U3, В	U4, В	U5, В	U6, В	I1,    А	I2,   А	I3,   А

4.3. Произвести проверку первого и второго правил (законов) Кирхгофа. Для этого:

полученные в результате эксперимента значения токов и напряжений, а  также величины ЭДС и  сопротивлений схемы согласно номеру варианта подставить в уравнения составленные по правилам (законам) Кирхгофа и проверить их выполнение.

4.4. Составить краткие выводы по работе.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Что называется узлом электрической цепи?.

5.2. Какая электрическая цепь считается разветвленной?

  5.3.  Первое правило (закон) Кирхгофа.

  5.4. Второе правило (закон) Кирхгофа.

  5.5. Сколько уравнений составляется по первому правилу (закону) Кирхгофа?

  5.6. Сколько уравнений составляется по второму правилу (закону) Кирхгофа?

 5.7. Какие расчеты в электрических цепях можно производить с помощью правил (законов) Кирхгофа?

6. Содержание отчета.

6..1 Наименование и цель работы.

6.2. Схема исследования. Заполненная таблица 3.2.

6.3. Произведенная  проверка первого и второго правил (законов) Кирхгофа.

6.4. Краткие выводы по работе.

6.5. Ответы на контрольные вопросы.

7. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

                                    .     Лабораторная работа №4 .
                                              

Метод наложения.

1. Цель работы.  Опытным путем проверить  выполнение метода наложения.

2. Оборудование.  

Рабочее место в компьютерном классе.

3. Теоретическое обоснование. 

Согласно методу наложения ток в любой ветви электрической цепи определяется как алгебраическая сумма токов, вызываемых в данной ветви действием каждой из ЭДС в отдельности, в предположении равенства нулю всех остальных ЭДС. Порядок расчета цепи методом наложения следующий: из электрической цепи удаляют все источники ЭДС и напряжений, кроме одного.

В цепи сохраняются все резистивные элементы, в том числе и внутренние сопротивления источников энергии; производят расчет полученной частной электрической цепи.

Подобным образом поступают столько раз, сколько имеется в цепи источников. Результирующий ток каждой ветви определяют как алгебраическую сумму токов от всех источников, полученных в частных схемах.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. На  рис.1 представлена исходная  схема электрической цепи, на которой будет проверено выполнение метода наложения.

 

                                                       I₁                                             7 Ом                    9 Ом

                            3 Ом

                                                      I₂                8  Ом

                                      А                        4 Ом                                                                               В

                              6 Ом

         Рис. 1                                            5 Ом                       I₃

Для узла А схемы рис.1 первое правило Кирхгофа имеет вид: - I₁ + I₂ + I₃ = 0   (1)

Для узла В схемы рис.1 первое правило Кирхгофа имеет вид: I₁ - I₂ - I₃ = 0   (2)

Для верхнего, нижнего и внешнего контуров  схемы рис.1 второе правило (закон) Кирхгофа имеет вид: 

          I₁ (R₁ + R₅  +  R₇ ) +  I₂ (R₃ + R₆ ) = E₁ + E₂  (3) – верхний контур

           I₂ (R₃ + R₆ ) -  I₃ (R₂ + R₄ ) = E₂ – E₃            (4) –  нижний контур

           I₁ (R₁ + R₅  +  R₇ ) + I₃ (R₂ + R₄ ) = E₁ + E₃  (5) –  внешний контур

4.2. В моделирующей программе EWB  последовательно собрать схемы рис.2, 3, 4. Величины ЭДС  схем задаются исходя из номера варианта по таблице 1:

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Е1,    В	10	12	14	16	18	20	22	24	26
Е2,    В	26	24	22	18	20	16	14	12	10
Е3,    В	15	10	15	10	15	10	15	10	15

4.3. Результаты экспериментов записать в таблицу 2:

1	Эксперимент, схема рис 2	I1-1,   А	I2-1,   А	I3-1,   А
2	Эксперимент, схема рис 3	I1-2,   А	I2-2,   А	I3-2,   А
3	Эксперимент, схема рис 4	I1-3,   А	I2-3,   А	I3-3,   А
4	Результаты расчета	I1= I1-1+ I1-2+ I1-3, А	I2= I2-1+ I2-2- I2-3, А	I3= I3-1- I3-2+ I3-3, А
5	Эксперимент, схема рис 5	I1,   А	I2,   А	I3,   А

4.4. Алгебраически сложить полученные  значения частных токов, результаты экспериментов записать в таблицу 2

4.5. В моделирующей программе EWB   собрать схему рис.5. Результаты экспериментов записать в таблицу 2.

4.6. Произвести проверку согласно таблице 3 выполнения первого и второго правил (законов) Кирхгофа для исходной  схемы электрической цепи  рис.1 при полученных в п. 4 таблицы 2 значений токов.

                                                                                                            Таблица 3.

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Узел	А	В	А	В	А	В	А	В	А
Контур	Верх.	Ниж.	Внеш.	Верх.	Ниж.	Внеш.	Верх.	Ниж.	Внеш.

4.7. Произвести анализ полученных экспериментальных и расчетных данных, сделать выводы.

5. Контрольные вопросы. 

5.1. В чем смысл метода наложения?

5.2. Почему при расчетах  методом наложения необходимо учитывать внутренние сопротивления источников электрической энергии?

5.3. Каков порядок расчета цепей методом наложения?

5. 4. В чем заключаются преимущества метода наложения?

6. Содержание отчета.

6.1. Наименование и цель работы.

6.2. Исходная схема исследования, частные схемы. Заполненные таблицы.

6.3. Расчетные формулы и  произведенные по ним расчеты.

6.4. Выводы по работе.

6.5.Ответы на контрольные вопросы.

7. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

                                   Лабораторная работа № 5.

Метод эквивалентного генератора и теорема взаимности.

1. Цель работы:  Получить практические навыки в проведении экспериментальных исследований сложных электрических цепей постоянного тока. Экспериментально проверить выполнение теорем об эквивалентном генераторе и принципt взаимности.

2. Оборудование.   Рабочее место в компьютерном классе.

3. Теоретическое обоснование. 

Метод эквивалентного генератора целесообразно применять, когда необходимо рассчитать ток только в одной ветви.  Пусть задана некоторая, сколь угодно сложная схема, и требуется найти ток в одной из её ветвей. Мысленно заключим всю схему, содержащую ЭДС и сопротивления, в активный двухполюсник, выделив из него одну ветвь, ток I в которой требуется найти.

По отношению к выделенной ветви двухполюсник можно заменить эквивалентным генератором, ЭДС которого равна напряжению холостого хода на зажимах выделенной ветви, а внутреннее сопротивление равно входному сопротивлению двухполюсника.

Теорема взаимности.  Для любой линейной цепи ток I_k  в k- ветви, вызванный источником ЭДС Е_М, находящимся в m – ветви (I_k = E_mg_km ), равен току  I_m  в m- ветви, вызванному источником ЭДС Е_K, находящимся в k – ветви  (I_m = E_kg_mk ), при условии, что  ЭДС Е_М равна ЭДС Е_K

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Метод эквивалентного генератора

4.1.1. В моделирующей программе EWB  в поле  видения одного «окна» собрать схемы рис.1 – рис.4. При этом:

-  схема рис.1 - исходная схема с выделенной  ветвью АВ, в которой необходимо определить ток методом эквивалентного генератора;

- схема рис.2 -  схема, посредством которой определяется напряжение U_{AB XX};       

- схема рис.3 -  схема, посредством которой определяется сопротивление R_{BX AB};

- схема рис.3 -  конечная схема метода эквивалентного генератора. Исходя из которой I_R = U_{AB XX} / (R+ R_{BX AB}).

Величины резисторов   R₁ - R₁₀ схем рис.1 – рис.3 имеют одинаковые числовые значения и указаны на схеме рис.3.

Величины ЭДС и резистора R  задаются исходя из номера варианта по таблице 1:

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
E1, В	10	12	14	16	18	20	22	24	26
E2, В	26	10	12	14	16	18	20	22	24
E3, В	24	26	10	12	14	16	18	20	22
E4, В	22	24	26	10	12	14	16	18	20
E5, В	20	22	24	26	10	12	14	16	18
E6, В	18	20	22	24	26	10	12	14	16
R,  Ом	1	1,4	2	2,4	1,2	1,6	2,2	1,8	2,6

4.1.2. Результаты экспериментов записать в таблицу 2:

Рис.1; IR, мА	Рис.2: UAB XX, В	Рис.3 RBX AB. Ом	Рис.4; IR, мА

4.1.3. Исходя из полученных результатов экспериментов сделать выводы.

4.2. Теорема взаимности

                I_K                                             R_K                                       

R₈

    R₁                               R₄                                                                                                         R₁₀

                                                                       R₆

                      R₂                 R₅                                    R_M

                                                                      R₇          E_M                                           Рис.5

                          R₃                                  R₉

      E_K                                      R_K                                                          

                                                                                                           R₈                            R₁₀

     R₁

                                R₄                     R₆

                                                                  I_M               

                         R₂             R₅                                                  R_M                              Рис.6

                                                                             R₇

               R₃                                                           R₉

4.2.1. В моделирующей программе EWB  в поле  видения одного «окна» собрать схемы рис.5,  рис.6. При этом:

-  схема рис.5 – схема для измерения тока I_K в k- ветви, вызванного источником ЭДС Е_М, находящимся в m – ветви;

- схема рис.6 -  схема для измерения тока I_M в m- ветви, вызванного источником ЭДС Е_K, находящимся в k – ветви;

Величины резисторов   R₁ - R₁₀ схем рис.5 и рис.6 имеют одинаковые числовые значения и указаны в таблице 3.

R1, Ом	R2,  Ом	R3, Ом	R4,  Ом	R5, Ом	R6, Ом	R7, Ом	R8, Ом	R9, Ом	R10, Ом
2	6	3	4	7	8	4	3	6	9

Величины ЭДС E_K, E_M  и резисторов R_K, R_M   задаются исходя из номера варианта по таблице 4:

№ вар	1	2	3	4	5	6	7	8	9
EK, EM,  В	10	12	14	16	18	20	22	24	26
RK, RM,  Ом	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5

4.2.2. Результаты экспериментов записать в таблицу 5:

Рис.5:    IK,  мА	Рис.5:    ЕМ, В	Рис.6: IM,    мА	Рис.6: ЕK,   В

4.2.3. Исходя из полученных результатов экспериментов сделать выводы.

5. Контрольные вопросы.

5.1.  Какова последовательность расчета тока в отдельно выбранной ветви электрической схемы методом эквивалентного генератора?

5.2. Что означает выражение «Напряжение холостого хода на зажимах выделенной ветви»?

5.3. Что означает выражение «Входное сопротивление двухполюсника»?

5.4. Какими методами целесообразно определять токи в выделенных ветвях электрической схемы  для подтверждения теоремы взаимности и почему?

6. Содержание отчета.

6.1. Наименование и цель работы.

6.2. Cхемы исследования. Заполненные таблицы.

6.3. Выводы по работе.

6.4.Ответы на контрольные вопросы.

7. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

Лабораторная работа № 6

Неразветвленная цепь переменного тока с R, L и  C

(Исследование элементов  R, L, C  на синусоидальном токе).

1. Цель работы

1.1.Экспериментально  исследовать электрические процессы, происходящие при подключении  ак­тивного сопротивления R, ёмкости C или индуктивности L к источнику переменного синусоидального напряжения.

1. 2. Отработать практические навыки и экспериментально проверить теоретические  положения о частотных характеристиках,  распределении напряжений и фазовых сдвигах в  простейших  цепях синусоидального тока.

1.3. Рассчитать параметры отдельных элементов электрических цепей.

1.4. Построить по экспериментальным и расчетным  данным векторные диаграммы.

2. Оборудование

Рабочее место в компьютерном классе.

3. Краткое теоретическое обоснование и описание схем экспериментов.

Для анализа схем введем обозначения:
U_R - падение напряжения на активном сопротивлении R ;
U_C - падение напряжения на емкостном сопротивлении X_C конденсатора С;

U_L - падение напряжения на индуктивном сопротивлении X_L  катушки индуктивности L;

I  - ток в  неразветвленной части цепи I;

I_R – ток, протекающий через активное сопротивление R;

I_С – ток протекающий через реактивное сопротивление X_C конденсатора С;

I_L – ток протекающий через реактивное сопротивление X_L катушки индуктивности L;

Z- полное сопротивление электрической цепи, определяется по формуле   

 Z = U/I           (1);

Согласно теории электрических цепей синусоидального тока параметры цепей рассчитываются по формулам, указанным в таблице 1:

Параметр	Соединения элементов цепи:
	последовательное
Полное сопротивление электрической цепи	Z = U/I       =
Активное сопротивление R	R = UR/IR
Круговая частота тока (напряжения)	ω = 2πf
Реактивное сопротивление конденсатора С	XC = 1/ (ωC)
Реактивное индуктивное  сопротивление катушки индуктивности   L	XL = ωL
Ток в  неразветвленной части цепи	I= U/Z
Падение напряжения на активном сопротивлении	UR= I*R
Падение напряжения на  конденсаторе	UC = I*XC
Падение напряжения на катушке индуктивности	UL = I*XL

На схеме рис.1 показано подключение ак­тивного сопротивления R, ёмкости C или  катушки индуктивности L на переменное синусоидальное напряжение.

При подключении одного из этих элементов к источнику напряжения:

  I_С =  I;              I_L=  I;          I_R =  I;             U_R  = U;           U_C = U;            U_L= U;

Согласно основным соотношениям синусоидального переменного тока:

-          напряжение на активном сопротивлении и ток через это активное сопротивление совпадают по фазе;

-          напряжение на катушке  индуктивности опережает ток через эту катушку индуктивности на 90 градусов;

-     напряжение на конденсаторе   отстает от тока через этот конденсатор на 90 градусов.

    Рис.1.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. В моделирующей программе  EWB собрать электрическую схему рис. 1.

Правый вход осциллографа подключенный к преобразователю “ток-напряжение” выделить красным цветом. Амперметр и вольтметр установить на АС

4.2. Установить частоту источника питания равной 1 кГц, R = 150 Ом, C = 1 мкФ,

 L =  25 мГн. Величина  напряжения источника питания  задается исходя из номера варианта согласно таблице 1:                                                          Таблица 1.

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Um ,  В	50	60	70	80	90	100	110	120	130	55	65	75

4.3. Последовательно подключать к источнику питания (подключаем по одному элементу, остальные два – отключены)  резистор, конденсатор или катушку индуктивности. Снять и зарисовать в каждом из трех включений осциллограммы. Определить по осциллограммам разности фаз между током и напряжениями на элементах цепи.            Результаты записать:

φ_R = φ_UR – φ_IR =

φ_C = φ_UC – φ_IC =

φ_L = φ_UL – φ_IL =

4.4.            При различных значениях  параметров схемы (в соответствии с таблицей 2) производить замеры токов и напряжений в цепи.

При каждом измерении к схеме подключается лишь один из элементов: или R (резистор),  или C (конденсатор),  или L (катушка индуктивности).

Произвести указанные в таблице №2 расчеты. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 2                                                                                      Таблица 2.

№ вар.

U =           B

Частота напряжения источника питания

R = 100 Ом

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

L = 100 мГн

С = 1 мкФ

200 Гц

300 Гц

500 Гц

750 Гц

1 КГц

1,25 КГц

1,5 КГц

1,75 КГц

2 КГц

2,25 КГц

2,5 КГц

Параметр

U, В  (эксп)

IR, mA (эксп)

IC,  mA(эксп)

IL, mA (эксп)

R= U/ IR, Ом

XС= U/IC, Ом

XL= U/ IL, Ом

ω = 2 π f

XC=1/ (ωC),Ом

XL =ωL, Ом

5 Построение  и анализ зависимостей  и векторных диаграмм.

 5.1. По значениям параметров таблицы 2 построить зависимости (графики):

 R = f(f),   X_С = f(f),   X_L = f(f),   I_R = f(f),  I_C = f(f),  I_L = f(f),

5.2. По результатам эксперимента и расчетов п. 4.3.  построить  три  векторные диаграммы  взаимного расположения  токов и напряжений на элементах R, L, C соответственно с указанием угла  φ на них.

5.3. Сделать выводы.

6. Контрольные вопросы.

6.1.  Как определить и от чего зависит реактивное сопротивление катушки индуктивности?

6.2. Что такое разность фаз между напряжением и током?

6.3. Как изменится сопротивления  X_L=  20 Ом, если частота питающего цепь напряжения увеличится в 4 раза?

6.4. Почему в цепи синусоидального тока с конденсатором при увеличении частоты источника питания ток в цепи  увеличивается?

7. Содержание отчета.

7.1. Название и цель работы.

7.2. Принципиальная схема  проводимого эксперимента.

7.3. Заполненная таблица №2  экспериментальных и расчетных данных.

7.4. Графики зависимостей, векторные диаграммы, результаты расчетов,  полученные в ходе выполнения лабораторной работы.

7.5. Краткие выводы по результатам  экспериментов и  расчетов.

7.6. Ответы на контрольные вопросы.

8. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

Лабораторная работа № 7.

Резонанс напряжений.

1. Цель работы: Изучение и экспериментальное исследование резонанса в цепи с последовательным соединением R,  L и C.

2. Оборудование.   Рабочее место в компьютерном классе.

3. Теоретическое обоснование.

Схема последовательного резонансного контура состоящего  из последовательно соединенных элементов R, L, С представлена на рис. 1 (В контур включены приборы).

                                                                                                                                            рис. 1. 

Полное входное сопротивление цепи может быть определено по формуле:

Z = R + jX = R + j(X_L – X_C) = R + j(ωL – 1/(ωC)),

где R – активное сопротивление цепи; X=(ωL –1/(ωC)) - реактивное сопротивление цепи;  ωL–реактивное индуктивное сопротивление  цепи; 1/(ωC - реактивное емкостное сопротивление цепи; =arctg(X/R) - фазовый  сдвиг между входным напряжением и током  в цепи;    ω = 2πf – круговая частота; f – частота тока и напряжения в цепи.

При изменении частоты от 0 до ∞  реактивная составляющая сопротивления контура изменяется от  –∞ до  +∞. На частоте ω_о реактивное сопротивление контура равно нулю: ωL – 1/(ωC = 0. Частота ω_о  = 1 / √ LC  называется резонансной частотой. На этой частоте индуктивное сопротивление контура компенсирует емкостное сопротивление, поэтому полное сопротивление цепи становится равным активной составляющей R. На резонансной частоте  ₀:   I₀ =  U/R;  U_R0 = U;  U_L0 = U_C0 = I₀₀L = I₀/(ω₀C) = U/R*L  =U/(Rω₀C) = U/R*   = Uρ/R = UQ, где   = = ω_oL = 1/( ω_oC)  - волновое или характеристическое  сопротивление контура, которое равно реактивному сопротивлению индуктивности или емкости контура на резонансной частоте. Величина Q = ρ / R = ω_оL / R = 1/( ω_оRC) =U_L0/U = U_C0/U - добротность резонансного контура, равная  отношению характеристического сопротивления контура к активному сопротивлению.  Величина d = 1/Q называется затуханием контура. На резонансной частоте напряжения на L и C равны по значению и противоположны по фазе, поэтому взаимно компенсируются. Наибольший ток в контуре наблюдается на резонансной частоте. Обычно используют контуры с большой добротностью Q >> 1. На резонансной частоте ω = ω_о максимум амплитудно-частотной характеристики равен добротности контура (амплитуда напряжения на конденсаторе в Q раз больше амплитуды входного напряжения). Поэтому резонанс в последовательном контуре называют также резонансом напряжений.

Полоса пропускания контура определяется частотами ω₁ (f₁)  и ω₂ (f₂)  между которыми К_U (ω) = Q  / √ 2 = 0,707 Q,  где К_U (ω) –коэффициент передачи по напряжению.

Полоса пропускания контура при резонансе  равна П = ω_о /Q. 

Полоса пропускания контура  прямопропорциональна величине резонансной частоты контура и обратно пропорциональна добротности контура.

При резонансе  X_L = L =1/(ωC  = X_C, = 0.    Добиться этого   ра­венства можно изменением одной из трех величин , С  или L:  ₀ = ;   L₀ = ;   C₀ = .Ток и напряжения    на R ,  L , С  при любой частоте  ,  отличной от   частоты ₀:   I = U/Z;  U_R = IR;  U_L = IL;  U_C = I/(ωC 

При рас­смотрении резонанса напряжений изучаются  частот­ные зависимости:  I(), U_L(),  U_C(),  (), которые приведены на рис.2.

Рис.2.  Резонансные характеристики.

При изменении частоты от 0   до    ₀    реактивное   сопро­тивление цепи  X    имеет емкостной характер и изменяется от  -  до 0, а угол сдвига фаз   от - /2,  до 0. При  изменении частоты от   ₀  до   X  изменяется  от  0  до ,  угол   от  0  до +/2.

4.Порядок выполнения работы.

4.1. Подготовка и настройка схемы.

4.1.1. В моделирующей программе EWB собрать схему рис.1.

4.1.2. Установить измерительные приборы на измерение параметров переменного тока – установить в приборах (амперметр и вольтметры) параметр MODE: AC.

4.1.3. Установить напряжение источника питания U = 1 В  (1 V).

4.2. Проведение экспериментов.

4.2.1. Задать параметры элементов (R, L, C) согласно номеру варианта (таблица №1).          Таблица 1

№ вар	1	2	3	4	5	6	7	8	9
R, Ом (ohm)	1	1	0,8	1,2	0,6	0,8	0,8	1	1,5
L, мГн (mH)	0,4	0,4	0,3	0,5	0,6	0,8	0,7	0,7	1,5
С,  мкФ,(μF)	1	1,5	1,2	1,0	2,0	2,0	2,5	3	1
f0, Гц (Hz)	7953	6491	8383	7112	4593	3977	3802	3467	4106

4.2.2.  Снять АЧХ   Вашего варианта электрической цепи.

Для этого во вторую строчку таблицы 2  (f, Гц)  столбца f₀ записать из таблицы 1 числовое значение f₀, Гц (Hz) для Вашего варианта.  

Рассчитать и заполнить остальные ячейки  второй строки (f, Гц) таблицы №2.

Затем,  изменяя частоту источника питания (Frequency), согласно рассчитанным значениям частот,  измерить и записывать показания приборов  в таблицу 2.                                                  Таблица 2

f	0,3f0	0,5f0	0,8f0	0,9f0	f0	1,1f0	1,25f0	1,4f0	2f0	3,3f0
f, Гц
UL, мВ
UC,мВ
UR,мВ
I, мА
КUL(f0)	хххх	хххх	хххх	хххх		хххх	хххх	хххх	хххх	хххх
КUC(f0)	хххх	хххх	хххх	хххх		хххх	хххх	хххх	хххх	хххх

Рассчитать  К_UL (f₀) и К_UC(f₀)  – коэффициенты  передачи по напряжению.

 К_UL (f₀) = = 0,707 U_L0/U;          К_UС (f₀) = = 0,707 U_L0/U;   

5. Анализ результатов.

5.1. По результатам экспериментов (табл.2) построить  характеристики:  U_L = f(f); 

U_С = f(f); U_R = f(f);  I = f(f)  последовательного резонансного контура.

Отметить на них характерные точки. 

5.2. Рассчитать для Вашего варианта добротность резонансного контура  и  полосу пропускания контура. 

5.3.  Исходя из вида построенных характеристик, сделать выводы.

6.Контрольные вопросы.

6.1. Что является условием возникновения резонанса напряжений?

6.2. Как определяется резонансная частота в цепи при резонансе напряжений?

6.3. Почему резонансное явление в последовательном колебательном контуре называется резонансом напряжений?

6.4. Уменьшается или увеличивается ток в  цепи при  резонансе напряжений и почему?

6.5. Изменением каких параметров последовательного колебательного контура можно добиться резонанса в нём  и почему?

6.6. Как будет изменяться резонансная частота последовательного колебательного контура при увеличении (уменьшении) значений R, L и C и почему?

7. Содержание отчета.

7.1.    Цель работы.

7.2.    Схема эксперимента.

7.3.    Таблица с заполненными графами.

7. 4.   Выполненный анализ результатов согласно пункту 5.  

7.5.            Выводы.

7.6.            Ответы на контрольные вопросы.

8. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

                                         Лабораторная работа  № 8

Исследование  цепи трехфазного тока при соединении нагрузки  звездой.

1.   Цель работы.

Экспериментально исследовать режимы работы трехфазной цепи, соединенной в звезду, в том числе и при аварийных режимах. Научиться измерять токи, напряжения и мощность в трех - и четырехпроводных цепях при различных видах нагрузки.

2.   Содержание работы. Исследуются трехфазные цепи, соединенные в звезду с симмет­ричной и несимметричной нагрузкой с нулевым проводом и без него. С помощью программы EWB  собираются схемы цепей и экспериментально определяются токи и напряжения на нагрузке. По резуль­татам экспериментов строят векторные диаграммы и делают соответствующие выводы.

3.   Подготовка к работе и проведение экспериментальной части.

Подготовка предусматривает изучение теоретического материала, относящегося к основным режимам работы трехфазных цепей при соединении источника и нагруз­ки звездой.

4.  Порядок проведения работы.

4.1. В  программе EWB собрать схему  трехфазной цепи при соединении нагрузки звездой – рис.1. 

Исходные данные: Частота фазных источников f = 50Гц;  

Значения фазных нагрузок: Z_A = Z_B = Z_С  = R_A = R_B = R_С = R = 20 Ом.

Напряжения фаз  трехфазного источника питания задать согласно  таблице 1:

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
EA; EB; EC, (UA; UB; UC), В	140	220	100	130	160	200	170	280	190	210

Рисунок 1 – Схема трехфазной цепи при соединении нагрузки звездой.

4.2. Закоротить вольтметр V_N  в ветви с нейтральным проводом и при симметричной активной  нагрузке (Z_A = Z_B = Z_С  =  R_A = R_B = R_С = R = 20 Ом.) Провести эксперимент. Результаты измерений занести в таблицу 2 (пункт 1).

4.3.  Включить вольтметр V_N  в ветви с нейтральным проводом (убрать закорачивающую его перемычку). Схема при этом преобразуется в схему без нейтрального провода с симметричной нагрузкой (Z_A = Z_B = Z_С  = R_A = R_B = R_С = R = 20 Ом.).  Провести эксперимент. Результаты измерений внести в табл. 2 (пункт 2).

4.4.   Сделать разрыв в фазном проводе фазы “A”. Провести эксперимент.  Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 3).

4.5.   Восстановить схему электрической цепи.  Изменяя величину сопротивления в фазе “A”, провести эксперименты, зафиксировать показания приборов для двух значений сопротивления  Z_A = R_A   (R_A1 = 5,5 Ом и R_A2 =44  Ома).

Результаты измерений внести в таблицу 2 - пункты 4, 5.

4.6.            Установить величину сопротивления резистора в фазе “A”  равной нулю (удалить резистор R_A создав на его месте короткое замыкание). Провести эксперимент.  Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 6).

Таблица 2

–

4.7.   Заменить  резистор  в фазе  “A”  (Z_A = R_A) катушкой  индуктивности

L_А =  0,44 Гн (0.44H). Провести эксперимент. 

Результаты измерений внести в таблицу 2  (пункт 7).

4.8.  Заменить катушку индуктивности L_А в фазе “A”  конденсатором  С ёмкостью 100 мкФ (100 μF). Провести эксперимент.   Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 8).

4.9.  Закоротить вольтметр (U_N) в ветви с нейтральным проводом  (восстановить перемычку, над вольтметром U_N, как в исходной схеме) при включенном  в  фазу  “A”  конденса­торе емкостью 100 мкФ. Провести эксперимент.  Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 9). 

4.10.  Удалить конденсатор  С ёмкостью 100 мкФ (100 μF) из фазы А  создав на его месте короткое замыкание. Провести эксперимент.   Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт10).

4.11.  Построить для  режимов трёхфазной цепи по пунктам 1, 2,  9 таблицы 2  векторные диаграммы  токов и напряжений. Для режима с нейтральным проводом (пункт 9 таблицы 2) графически определить значение тока в нейтральном проводе.

 4.12. Определить соотношение между линейными и фазными напряжениями для симметричной нагрузки (пункты 1, 2 таблицы 2).

5. Содержание отчета.

5.1.  Название и цель работы.

5.2. Исходная схема  исследования.

5.3. Последовательность проведения работы.

5.4 Таблица 2 заполненная результатами измерений.

5.5. Построенные диаграммы и произведенные соотношения.

5.6. Выводы по проведенным экспериментам и их результатам.

5.7. Ответы на контрольные вопросы.

6. Контрольные волросы.

1.  Какая нагрузка называется симметричной?

2. Какое напряжение называется линейным?

3. Какое напряжение называется фазным?

4. Какова роль нейтрального провода?

5. Влияет ли нейтральный провод на режим работы трехфазной цепи при симметричной нагрузке?

6. Чему равно напряжение смешения нейтрали при обрыве фазы?

7. Чему равно напряжение смещения нейтрали при коротком замыкании фазы?

8. Допустимо ли короткое замыкание фазы при отсутствии нейт­рального провода?

9. Допустимо ли короткое замыкание фазы при наличии нейтраль­ного провода?

Указание: При подготовке ответов на вопросы необходимо учитывать результаты экспериментов.

Примечание.

Токи и напряжения измеряют с помощью амперметров и вольтмет­ров.

Необходимо произвести    переустановку амперметров и вольтмет­ров на измерение переменных вели­чин, т.е. в опции MODE  («Component Properties» -  «Value» - «Mode») амперметров и вольтмет­ров выбрать позицию АС.

7. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

                                  Лабораторная работа № 9

Исследование  цепи трехфазного тока при соединении нагрузки  треугольником.

1.   Содержание работы.  Исследуются трехфазные цепи с симмет­ричной и несимметричной нагрузкой включенной треугольником. С помощью программы EWB  собираются схемы цепей и экспериментально определяются токи, напряжения и активная мощность на нагрузке. По резуль­татам экспериментов строят векторные диаграммы и делают соответствующие выводы.

2.   Цель работы.  Экспериментально исследовать режимы работы трехфазной цепи присоединении нагрузки треугольником, в том числе и при аварийных режимах. Научиться измерять токи, напряжения и активную мощность  в трехфазных цепях  при соединении нагрузки  треугольником  при различных видах нагрузки.

3.   Подготовка к работе и проведение экспериментальной части.  Подготовка предусматривает изучение теоретического материала, относящегося к основным режимам работы трехфазных цепей при соединении  нагруз­ки треугольником.

4.  Порядок проведения работы.

4.1. В  программе EWB собрать схему  трехфазной цепи при соединении нагрузки треугольником – рис.1.

Исходные данные: Частота фазных источников f = 50Гц;  

Значения фазных нагрузок: Z_AВ = R_AВ = 20 Ом; .Z_BС = R_BС = 40 Ом;  Z_СА =  R_СА  = 80 Ом.  Напряжения фаз  трехфазного источника питания задать согласно  таблице 1:

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
EA; EB; EC, (UA; UB; UC), В	140	220	100	130	160	200	170	280	190	210

Рисунок 1

4.2. Установить несимметричную активную нагрузку (исходная схема). Выполнить эксперимент.  Результаты измерений занести в таблицу 2 (пункт 1).

4.3.   Установить симметричную активную нагрузку (Z_AВ = Z_BС = Z_СА  = R_AВ = R_BС =

= R_СА = R =  22 Ом). Выполнить эксперимент.  Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 2).

4.4. Сделать разрыв в линейном проводе фазы “А” (в точке “А”). Выполнить эксперимент.   Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 3).

4.5. Восстановить схему. Сделать разрыв в фазе “АВ” (разорвать цепь с любой стороны от сопротивления Z_AB ). Выполнить эксперимент.   Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 4).                                     

4.6. Восстановить схему. Последовательно с  сопротивлением  R_AВ   в фазе “AB” включить конденсатор  С = С_AВ ёмкостью  40 мкФ.  Выполнить эксперимент.    Результаты измерений   внести в таблицу 2 (пункт 5).  

4.7. Отключить в фазе “АВ” сопротивление R_АВ (удалить R_AВ),  оставив только конденсатор  С = С_AВ. Установить его ёмкость С_AВ  = 143 мкФ.  Выполнить эксперимент.   Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 6).

4.8. Отключить в фазе “АВ” конденсатор  С = С_AВ, устанавливаем режим  короткого замыкания в фазе АВ.  Выполнить эксперимент.   Результаты измерений внести в таблицу 2 (пункт 7).

4.9. Построить для  режимов работы трёхфазной цепи по пунктам 1, 2,  5, 6 таблицы 2  векторные диаграммы токов и напряжений приёмника.

4.10.  Для симметричной активной нагрузки (пункт 2 таблицы 2) определить соотношение между линейными и фазными токами.

 Таблица 2 – Результаты измерений в трехфазной цепи.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Как образуется соединение треугольником?

5.2. Какая нагрузка называется симметричной?   

5.3. Какое соотношение существует между линейными и фазными токами при симметричной нагрузке включенной  треугольником?

5.4. Допустимо ли короткое замыкание в цепи фазной нагрузки, при соединении фазных нагрузок треугольником?

5.5. Какое соотношение между линейными и фазными напряжениями при соединении треугольником?

5.6. Окажет ли влияние обрыв одной фазы нагрузки на режим работы двух оставшихся фаз?

5.7. Какое влияние на работу нагрузок оказывает разрыв линейного провода?

6. Содержание отчета.

6.1.  Название и цель работы.

6.2. Схема исследуемой  трехфазной цепи.

6.3. Последовательность проведения работы.

6.4 Таблица 2 заполненная результатами измерений в трехфазной цепи

      при различных режимах работы.

6.5. Построенные векторные диаграммы напряжений и токов  согласно п. 4.9.

6.6. Выполненный пункт 4.10.

6.7. Выводы по проведенным экспериментам и их результатам.

6.8. Ответы на контрольные вопросы.

7. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

Примечания.

1. Токи и напряжения измеряют с помощью амперметров и вольтмет­ров.

Необходимо произвести    переустановку амперметров и вольтмет­ров (кроме вольтметра W_АВ)  на измерение переменных вели­чин, т.е. в опции MODE  («Component Properties» -  «Value» - «Mode») амперметров и вольтмет­ров выбрать позицию АС.

2. Вольтметр W_АВ в схеме измеряет активную мощность в фаза АВ. Данный вольтметр в схеме должен быть настроен на измерение постоянного напряжения, , т.е. в опции MODE  («Component Properties» -  «Value» - «Mode») этого вольтмет­ра выбрать позицию DС.

Показания вольтметра W_АВ в вольтах соответствуют измеренной активной мощности Р_АВ в ваттах (ВА), а показания в кВ соответствуют измеренной активной мощности Р_АВ в киловаттах (кВА)

Лабораторная работа № 10.

Исследование  RC и RLC-цепочек

1. Цель работы

Экспериментальное исследование последовательных RC и RLC -цепtq при изменении частоты источника питания. Проверка опытом расчетных значений напряжений на элементах цепочек и угла сдвига по фазе между входным напряжением и током в цепях. Наблюдение формы входного напряжения, напряжения на резисторе и угла сдвига по фазе между входным напряжением и током в цепи с помощью осциллографа.

2. Оборудование

Рабочее место в компьютерном классе.

3. Краткое теоретическое сведения и описание схем экспериментов.

Для анализа схем введем обозначения:
U_R - падение напряжения на активном сопротивлении R ;
U_C - падение напряжения на емкостном сопротивлении X_C конденсатора С;

U_L - падение напряжения на индуктивном сопротивлении X_L  катушки индуктивности L;

I  - действующее значение тока в цепи (при последовательном соединении элементов цепи I = I_R  = I_С = I_L);

I_R – ток, протекающий через активное сопротивление R;

I_С – ток протекающий через реактивное сопротивление X_C конденсатора С;

I_L – ток протекающий через реактивное сопротивление X_L катушки индуктивности L;

Z- полное сопротивление электрической цепи, определяется по формуле   

 Z = U/I           (1);

Согласно теории электрических цепей синусоидального тока параметры цепей рассчитываются по формулам, указанным в таблице 1:

Параметр	Соединения элементов цепи:
	последовательное
Полное сопротивление электрической цепи	Z = U/I       =
Активное сопротивление R	R = UR/IR
Круговая частота тока (напряжения)	ω = 2πf
Реактивное сопротивление конденсатора С	XC = 1/ (ωC)
Реактивное индуктивное  сопротивление катушки индуктивности   L	XL = ωL
Реактивное сопротивление цепи	X = XL - XC
Разноить фаз между напряжением и током	φ = arccos (R/Z)
Ток в  неразветвленной части цепи	I= U/Z
Падение напряжения на активном сопротивлении	UR= I*R
Падение напряжения на  конденсаторе	UC = I*XC
Падение напряжения на катушке индуктивности	UL = I*XL

На схеме рис.10.1 а,б  показаны  последовательные  RC и RLC цепи при их подключении к источнику переменного синусоидального напряжения..

Согласно основным соотношениям синусоидального переменного тока:

-          напряжение на активном сопротивлении и ток через это активное сопротивление совпадают по фазе;

-          напряжение на катушке  индуктивности опережает ток через эту катушку индуктивности на 90 градусов;

-     напряжение на конденсаторе   отстает от тока через этот конденсатор на 90 градусов.

 Рис.10.1 а,  б  последовательные  RC и RLC цепи

4. Порядок выполнения работы

4.1. Для изображенных на рис. 10.1а    схемы рассчитать для Вашего варианта  (Значения параметров для каждого из вариантов заданы в таблице 1) реактивное емкостное сопротивление Хс,  полное сопротивление цепи Z, ток I, действующие значения напряжений U_R,  U_C  и угол сдвига по фазе ϕ между входным напряжением U и током I

                                                                                                                                    Таблица 1.

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Су нФ	23,41	17,2	12,92	10	7,92	6,37	5,21	4,32	3,62	3,06
Ry кОм	1	1	1	1	1	3	3	3	3	3
L, мГн	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75

Расчет производится на частотах 2, 6, 10, 14, 18 кГц. Входное напряжение для всех бригад U = 2 В. Результаты расчета занести в таблицу 2. По данным предварительного расчета построить для схем рис. 10.1а    графики Хс,  Z,  I  и φ в зависимости от f. ПРИМЕЧАНИЕ : для построения рекомендуется по оси абсцисс отложить частоту f в кГц, а осей ординат выбрать столько, сколько графиков различных размерностей требуется построить.

                                                           Таблица 2. Данные расчетов и измерений

4.2 В программе Electronics Workbench (EWB),собрать схему рис. 10.2 со значениями параметров элементов Вашего варианта.         

4.3. Установить напряжение генератора (источника питания) 2В, величины. Для получения наглядных осциллограмм целесообразно раскрашивать проводники, подходящие к осциллографу, в разные цвета, дважды щелкнув по выбранному проводнику и выбрав соответствующий цвет.

4.4. Изменяя частоты в соответствии с заданием f = 2, 6, 10, 14, 18 кГц измерить U_R, U_C и φ.Результаты измерений записать в таблицу 2.

             Рисэ10.2    Схема RC цепи                           Рисэ10.3   Схема  RLC цепм

4.5.  Для просмотра осциллограмм необходимо развернуть двойным щелчком осциллограф и установить удобные для наблюдений масштабы по вертикали (напряжению) и горизонтали (времени -Time base). На рисунках 10.4 и 10.5 показаны примеры осциллограммы, и график изменения φ.

                 Рис.10.4. Осциллограмма

                      

                             Рис. 10.5. График изменения φ

Результаты измерений записать в таблицу 2.

4.6  В программе Electronics Workbench (EWB),собрать схему рис. 10.3 со значениями параметров элементов Вашего варианта.         

С помощью частотного анализатора определить резонансную частоту цепи, получить и зарисовать амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики цепи.

Получить и зарисовать осциллограмму цепи на резонансной частоте.

Получить и записать  значения параметров на резонансной частоте

Рассчитать  и записать  значения параметров на резонансной частоте

                                           Таблица 3 Данные расчетов и измерений (рис =. 10.3)

5. Содержание отчета

1. Исходные данные для варианта.

2. Схемы для расчета  и измерений.

3. Расчетные формулы.

4.  Результаты расчетов и измерений, оформленные в таблицах.

5. Чертеж с графиками,

6. Осциллограммы, АЧХ и ФЧХ.

7. Сделать выводы о совпадении расчетных и опытных данных.

8. Ответы на контрольные вопросы.

6. Контрольные вопросы

1. Как измерить угол сдвига по фазе ϕ между входным напряжением и током в цепи?

2. В чем отличие понятий “емкость” и “конденсатор”?

3. Как построить векторную диаграмму для последовательной R,C- цепи?

4. Как экспериментально определить резонансную частоту?

5. Как рассчитать значение резонансной частоты  в цепи RLC?

6. Какой характер (индуктивный, емкостный, активный) имеет сопротивление последовательной

RLC – цепи на частотах ниже резонансной и почему?

7. Почему при резонансе в последовательной RLC – цепи ток максимален?

8. Объясните, почему при резонансе напряжения на реактивных элементах одинаковы?

7. Л итература:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

Критерии оценивания работы обучающихся на лабораторных занятиях

 Оценка «отлично»ставится, если обучающийся:

- самостоятельно и правильно выполнил все задания;

- правильно, с обоснованием сделал выводы по выполненной работе;

- правильно и доказательно ответил на все контрольные вопросы.

Оценка «хорошо» ставится в том случае, если:

- правильно выполнил все задания;

- сделал выводы по выполненной работе;

- правильно ответил на все контрольные вопросы.

Оценка «удовлетворительно» ставится, если обучающийся:

- правильно выполнил задание, возможно кроме одного;

- сделал поверхностные выводы по выполненной работе;

- ответил не на все контрольные вопросы.

Оценка «неудовлетворительно» ставится, если обучающийся:

- неправильно выполнил задания;

- не сделал или сделал неправильные выводы по работе;

- не ответил на контрольные вопросы.

Список литературы

Основные источники:

      1. Немцов М.В., Немцова М.Л. Электротехника и электроника. Учебник.- М.: Издательский центр «Академия», 2012 г.

      2. Электротехника и электроника /Под ред. Инькова Ю.М. Учебник. - М.: Издательский центр «Академия», 2013 г.  

       3. Электротехника и электроника (ЭУ). - М.: Издательский центр «Академия-Медиа»,2013 г.

Дополнительные источники:

       1. Полещук В.И. Задачник по электротехнике и электронике. Учебное пособие.- М.: Издательский центр «Академия», 2014 г.

       2.  Лапынин Ю.Г., Атарщиков В.Ф., Макаренко Е.И., Макаренко А.Н. Контрольные материалы по электротехнике и электронике.- М.:ОИЦ"Академия",2013.

Интернет-ресурсы:

1.      ЭБС «Университетская библиотека online» - http://biblioclub.ru/ 

2.      ЭБС «Лань» - https://e.lanbook.com/   

3.      ЭБС IPRbooks - http://www.iprbookshop.ru/ 

4.      ЭБС «BOOK.ru» - http://www.book.ru/ 

      5.   ЭБС РГБ, ФГУБ "РГБ" - http://www.rsl.ru/

Краткое описание документа:

Включенные в комплект лабораторные работы, позволяют студентам наиболее полно усвоить теоретический материал и приобрести практические навыки по созданию и анализу работы электротехнических схем и устройств, что поможет им в будущей практической деятельности.

При выполнении лабораторных работ используется виртуальная лаборатория, в основе которой используется специализированная программа машинного моделирования электрических и электронных схем Electronics Workbench 5.12. канадской фирмы Interactive Image Technologies